量子信息技术应用案例集 (2024 年)

量子信息技术应用案例集 (2024年) 量子信息网络产业联盟 2025年3月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据观点、建议等，均不构成投资或法律建议，也不应替代律师意见本报告所有材料或内容的知识产权归量子信息网络产业联盟所有(注明是引自其他方的内容除外)，并受法律保护。如需转载需联系本联盟并获得授权许可。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字、图表或者观点的，应注明“来源：量子信息网络产业联盟”。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 量子信息网络产业联盟联系电话：010-62300592 邮箱：qiia@caict.ac.cn 编制说明 量子信息技术应用案例成果由联盟成员单位报送，经联盟会议讨论后编成案例集。应用案例的相关技术方案和应用成果归案例报送成员单位所有，并对相关内容的真实性、准确性和合法性负责。 案例集编写单位： 深圳量旋科技有限公司、北京玻色量子科技有限公司、安徽省国盛量子科技有限公司、安徽问天量子科技股份有限公司、江苏亨通问天量子信息研究院有限公司、国家电网有限公司信息通信分公司、国网福建省电力有限公司信息通信分公司、国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司、南京南瑞信息通信科技有限公司、相干（北京）科技有限公司、中国信息通信研究院 案例集编写成员： 郭聪、巨江伟、袁为、胡小文、刘婧婧、方晓明、曾祥洪、王敬、赖俊森 前言 量子信息技术是量子科技重要组成部分，基于量子力学原理在提升信息处理速度、保障通信安全、提高测量精度及灵敏度等方面展现出了令人瞩目的潜力，已成为信息通信技术演进和产业升级的关注焦点之一。未来，量子信息技术有望在前沿科学、信息通信和数字经济等诸多领域引发颠覆性技术创新和变革性应用。 当前，量子信息技术正逐步从概念验证走向落地实践，有望在不久的将来为行业用户赋能，比如“量子计算+金融”、“量子保密通信+政务专网”、“量子精密测量+生物医疗”等。为加快量子信息技术创新与应用推广，征集和展示量子信息技术在不同领域的应用探索成果和前景，量子信息网络联盟持续组织开展应用案例征集，已发布《量子信息技术应用案例集（2023）》。 2024年度量子信息技术应用征集了成员单位提交的8项典型应用探索案例，涉及量子计算、量子加密、量子精密测量等技术的应用，展现了在教学、生命科学、信息传输等行业和领域的应用探索进展。经联盟会议讨论，更新编制了《量子信息技术应用案例集 （2024）》，旨在向业界展示量子信息技术的潜在应用价值，分析应用发展现状和面临问题，为技术成果转化和应用产业培育提供参考。 目录 案例一1 一、应用背景与需求2 二、技术原理与优势3 三、应用方案与实践5 四、应用成效与前景9 五、应用讨论与建议11 案例二12 一、应用背景与需求13 二、技术原理与优势14 三、应用方案与实践16 四、应用成效与前景18 五、应用讨论与建议20 案例三22 一、应用背景与需求23 二、技术原理与优势25 三、应用方案与实践27 四、应用成效与前景30 五、应用讨论与建议33 案例四36 一、应用背景与需求37 二、技术原理与优势38 三、应用方案与实践41 四、应用成效与前景44 五、应用讨论与建议47 案例五48 一、应用背景与需求49 二、技术原理与优势51 三、应用方案与实践53 四、应用成效与前景56 五、应用讨论与建议57 案例六60 一、应用背景与需求61 二、技术原理与优势62 三、应用方案与实践64 四、应用成效与前景67 五、应用讨论与建议69 案例七72 一、应用背景与需求73 二、技术原理与优势74 三、应用方案与实践75 四、应用成效与前景79 五、应用讨论与建议80 案例八82 一、应用背景与需求83 二、技术原理与优势85 三、应用方案与实践89 四、应用成效与前景92 五、应用讨论与建议94 案例一 量子计算真机教学设备在大学专业教育的应用 提供单位：深圳量旋科技有限公司 一、应用背景与需求 (一)行业/应用背景 量子计算是一种基于量子力学原理的新型计算方式，在全球范围内引起了广泛关注。我国也在积极参与其中，不断深化对量子计算基本理论研究和实际应用探索的步伐。在这个过程中，我国的高校发挥着至关重要的作用。 目前，许多大学已经开始开设相关课程，旨在协助学生更深入地理解并掌握量子计算的理论知识和实践技能。然而，由于量子计算涉及的概念和原理包括叠加态、纠缠态以及量子门等都是相当抽象且复杂的内容，这就对教师的教学水平和学生的学习能力提出了较高的要求。 (二)现状/需求/痛点 当前，主流的教学方法仍是理论讲解，尤其在处理复数和矩阵概念时，学生们常感到困难重重。因此，如何将抽象的量子理论具体化、形象化，使学生更直观地理解量子计算，无疑成为了教学工作面临的重大挑战。这种情况凸显出我们对一种能真实反映量子计算过程的设备的需求。 为了解决上述挑战，使学生能够从理论转向实践，我们迫切需要一种能真实反映量子计算过程的设备。然而，目前我国高校在这方面面临着一些困难。 首先，目前大部分资源和资金都投入到量子计算研究的设备上， 而对教学设备的投入相对较少。这不仅限制了教学设备的获取，也使得实际操作机会的提供成为一项挑战。其次，市场上缺乏一个完全能够展示量子计算所需工具和设备的产品，这无疑增大了教学难度。此外，虽然量子计算模拟器和云服务器能解决一部分的量子计算“答案”问题，但对于学生需要理解与接触的真实量子状态与运行部分却仍有所欠缺。 另一个重要的问题是，由于大部分经费和资源都集中在量子计算的研究设备上，教学设备采购经费一般受到一些限制，大多数高校在供教学的设备方面的供给不足，甚至有一些学校在缺乏设备的情况下，无法开展与量子计算相关的教学工作。此外，当前研发使用的量子计算设备往往设计精细、操作复杂，对操作人员的技术要求较高，因此并不能适应广大教学老师和学生群体的需求。这就需要我们在设计和开发量子计算教学设备时，充分考虑到其易用性和通用性，以满足更广泛的教学使用者群体的需求。 图1可在室温环境工作的量旋量子计算真机 二、技术原理与优势 (一)概念原理/关键技术 当前实现量子计算的技术方案有很多种，其中基于核磁共振技术的量子计算机较多被用于教育和科研场景。核磁共振量子计算机中使用原子核自旋作为量子比特载体，自旋为1/2的原子核在静磁场中会由于塞曼效应产生自旋向上和向下两个能级，以这两个能级作为|0>和|1>两个量子比特状态，通过发射射频脉冲的方式，可以使激发自旋量子态，使其在向上和向下的能级之间跃迁，从而实现对量子比特的逻辑操作。 基于以上原理，搭建一台真实的核磁量子计算机，首先需要制备合适的分子结构作为量子比特载体，具有多个自旋为1/2的原子核，且互相之间存在耦合关系；然后设计出一套磁体系统，可以提供均匀稳定的静磁场；最后设计一套高精度的射频信号收发系统，即可实现整个量子计算过程（如图2所示）。 图2核磁量子计算机原理架构图 (二)技术优势/成熟度分析 基于核磁共振技术的量子计算机在面向教育场景时，相对于其它量子计算技术体系或模拟器方案，具有如下多个方面的优势。1） 相比于其它体系（如超导芯片、离子阱等），核磁共振技术已经比较成熟，可以做到体积和重量的小型化；2）性能更加稳定，机器自带一键校准量子比特参数的功能，不需要专业维护，降低使用成本；3）开放底层的脉冲控制，使用自定义的射频脉冲操控量子比特，不仅仅局限于逻辑门层级的量子线路编程；4）可以获取原始的量子信号数据，从实验数据上观测量子比特的演化规律；5）支持一套完备的量子逻辑门，包含单比特门、双比特门以及三比特门，可以允许学生自由搭建任意量子算法；6）多种量子编程方式结合，有易入门的图形界面编程方式，以及基于SpinQit框架的经典-量子混合编程方法。 目前国内外有许多的高校在使用量旋的核磁量子计算机作为量子计算教育的辅助教学仪器，真实的量子硬件以及真实的数据反馈，能够很好地促进学生对于量子计算这一抽象概念的理解。从对量子计算相关实验内容的支持程度上来看，核磁量子计算机可以支持从底层量子比特的物理原理、量子态演化一直到顶层的逻辑门实现和算法编程的量子计算全过程实验。因为实际系统已经在教育场景中使用，技术成熟度达到9级。 三、应用方案与实践 (一)解决方案/系统架构/产品情况 为了全面体现真实量子计算硬件在量子计算教学种的作用，量旋围绕三角座等核磁量子计算机设计了一整套教学方案，主要为上 机实验内容，主要分为三个板块。1）量子比特物理指标（如退相干时间T1、T2）以及自由演化动力学现象实验；2）从量子逻辑门层级开始学习量子算法设计，并在真实硬件上运行后对结果进行分析；3）对物理底层更加开放的量子调控技术探索，进一步加深学生对量子计算相关技术的认识和学习。 具体的教学方案中还包括如表1的一系列实验课程以及配套的 实验手册。 表1基于核磁量子计算机的量子实验内容 实验首先从认识量子比特开始，量子态是量子计算的基本研究对象，在研究中通常使用Bloch球的几何模型来表示量子比特状态，在Bloch球模型中，单量子态可以通过球面上一个点来表示，这个点的位置由两个欧拉角(θ,φ)来表示，Bloch球的南极和北极点分别代表量子比特的|0>和|1>状态，而其它点则表示量子比特处于叠加态，这种方法使得我们可以直观地理解量子态的演化，在实验配套的软件SpinQuasar中，也使用了Bloch球来展示量子态演化规律。 拉比振荡也是一类非常重要的物理现象，在量子计算中，无论 是核磁共振量子计算还是其他的量子计算系统，拉比振荡都尤其重要，因为它是校准量子门的重要手段，而只有校准了量子门，才有可能成功实现量子计算。该实验重点是，通过测量拉比振荡，加深对核磁共振原理的理解；进一步掌握在核磁共振系统中实现单比特门的方法--单比特门由射频脉冲实现；学习核磁共振量子计算中量子门校准的方法。 量子算法也是量子计算学习中非常重要的一环，本方案同时也设计了一系列的典型的量子算法实验课程，如利用HHL算法解线性方程组。科学和工程学中的很多问题都需要解线性方程组。随着科学和工程的发展进步，解线性方程组所需要处理的数据量越来越大，对计算机和算法的要求越来越高。HHL算法就是一个解线性方程组的量子算法，在一定条件下，该算法比最优的经典算法具有指数加速，已成为很多量子算法的子程序。本案例实现了HHL算法在两比特系统中的一个简化版本（ScientificReports4，6115(2014)），其实验原理设计如图3所示。 图3HHL算法的量子线路结构 (二)应用情况/实施方式/验证结果 以上介绍的教学方案，在北京理工大学等国内外大学的真实量子计算课堂上受到了师生的广泛好评。经过课程初步和操作系统的 引导后，学生基本能够独立运用量子计算机，进行单/双量子比特的线路搭建与测量。同学们普遍认为，虽然量子理论部分内容有些难，但是通过动手做实验，能对量子技术很切身直观的体会。同学们可以在配套软件的单比特实验模块通过设计不同的量子比特演化参数，可以直观地分析量子态在Bloch球上的演化规律，例如图4所示。 图4在SpinQuasar软件中观测量子态在Bloch球上的演化规律 在拉比振荡模块，可以进行的操作是通过采集原始的量子信号，最后进行正弦拟合，来获取量子比特的90度脉宽数据，操作界面如图5。 图5通过原始数据测量拉比振荡曲线 最后在HHL算法实验中，学生是利用图形界面编程方法，将简化后的HHL算法结构在真实系统中进行测试，学生可以自由拖动量子逻辑门，设置逻辑门参数，最后得出不同逻辑门序列的实验数据 （见图6）。 图6在SpinQuasar中通过图形界面编程实现HHL算法 四、应用成效与前景 (一)创新点/先进性/成效/潜力 基于核磁量子计算机的教学方案，给之前的量子计算教学带来了很大的突破，它是目前为数不多的能够小型化的量子计算设备，使得只能出现在科研实验室的前沿科技可以被搬进教室，可以非常好地激发学